華北油田第三中學(xué)(062552) 李富恩 駱雅杰

澳門城市大學(xué)教育學(xué)院(999078) 何彥雨

1 引言

2017年人教版高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于“力的合成和分解”的課時(shí)分配建議為2個(gè)課時(shí)。通過(guò)本節(jié)第一課時(shí)力的合成學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握了力的合成滿足平行四邊形定則，會(huì)根據(jù)平行四邊形定則對(duì)兩個(gè)力或多個(gè)力進(jìn)行合成。而在“力的分解”知識(shí)點(diǎn)教學(xué)上教材采取的處理方式是：首先將拖拉機(jī)對(duì)耙的拉力沿著水平和豎直兩個(gè)方向上進(jìn)行討論，從而引出本節(jié)課的第一個(gè)問(wèn)題——力的分解；隨后根據(jù)例題，斜面上物體受到的重力分別沿著斜面和垂直于斜面進(jìn)行分解，并把這種分解的方法定義為正交分解法。但是學(xué)生對(duì)于按照力的作用效果將力進(jìn)行分解總是理解不夠深入，導(dǎo)致本節(jié)講解起來(lái)也顯得過(guò)于枯燥。

高中課本中有兩個(gè)按照效果分解的實(shí)例，一是繩子與桿的連接，另一個(gè)就是課本中的斜面上物體重力，下面，筆者對(duì)這兩個(gè)模型在課堂教學(xué)中的改進(jìn)做一個(gè)展示。

2 教學(xué)過(guò)程

通過(guò)前一節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握了力的平行四邊形定則，上課前要求學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理念和DIS實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)通過(guò)微課進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，讓學(xué)生對(duì)本節(jié)課的內(nèi)容和學(xué)習(xí)目標(biāo)有一定的認(rèn)識(shí)。本節(jié)課主要的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及學(xué)生的活動(dòng)分為以下幾個(gè)環(huán)節(jié)。

環(huán)節(jié)一：結(jié)合課前預(yù)習(xí)，學(xué)生自行完成對(duì)力的分解概念的理解。并分享預(yù)習(xí)導(dǎo)學(xué)案上判斷題答案及其分析解析。

環(huán)節(jié)二：學(xué)習(xí)課本中拖拉機(jī)對(duì)耙的拉力的分解，進(jìn)一步理解一個(gè)力可以分解為無(wú)數(shù)組分力。教師指出力的分解雖然可以有無(wú)數(shù)組，但是我們?cè)趯?shí)際分解中要根據(jù)力的作用效果進(jìn)行分解。常見(jiàn)的力的分解物理模型有2個(gè)。

環(huán)節(jié)三：學(xué)生探究模型一(三角支架懸掛物體的拉力分解)。

學(xué)生體驗(yàn)：按照?qǐng)D1所示，繩子一段套在手指上，另一端拴在筆的右端，筆的另一端抵在手上，筆與繩子的連接(結(jié)點(diǎn))處懸掛重物，體會(huì)細(xì)繩和筆對(duì)手的作用效果。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)：用帶有小格的伸縮桿稱量懸掛重物的重力，當(dāng)重物靜止時(shí)記下伸縮桿露出的小格數(shù)，表示懸掛重物的拉力大小，用2個(gè)相同的伸縮桿制成三腳架，懸掛上稱量的重物后，通過(guò)露在外面的小格來(lái)顯示作用力的大小，如圖2所示。學(xué)生記錄2個(gè)伸縮桿的夾角和作用力大小，在結(jié)點(diǎn)處作出豎直向下的拉力G、對(duì)傾斜桿的拉力G1、對(duì)水平桿的壓力G2三力示意圖，看是否滿足平行四邊形定則。

結(jié)論：在誤差允許范圍內(nèi)，可以認(rèn)為拉力按照作用效果分為了對(duì)斜桿的拉力和對(duì)水平桿的壓力。至此完成了第一個(gè)模型的探究。學(xué)生通過(guò)體驗(yàn)感受到了兩個(gè)力的作用效果，并且根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了拉力的兩個(gè)分力滿足力的平行四邊形定則。但是這個(gè)根據(jù)小格長(zhǎng)度估讀力的大小，確實(shí)誤差很大，也很不規(guī)范，實(shí)驗(yàn)還可以進(jìn)行改進(jìn)，有待學(xué)生進(jìn)一步思考。學(xué)生思維受到啟發(fā)，馬上回歸課本，學(xué)習(xí)課本中的例題，斜面上物體的重力按照作用效果應(yīng)如何分解。

環(huán)節(jié)四：學(xué)生探究模型二(斜面上物體的重力如何分解)。

學(xué)生活動(dòng)1：靜止在斜面上的物體受幾個(gè)力的作用？你能畫(huà)出物體的受力分析示意圖嗎？

學(xué)生活動(dòng)2：我們可不可以根據(jù)物體處于平衡狀態(tài)，分析一下物體的重力可以分解為哪兩個(gè)方向的分力？

學(xué)生活動(dòng)3：你能用什么方法體現(xiàn)出重力的兩個(gè)分力的作用效果？學(xué)生經(jīng)過(guò)分析討論，展示自己的設(shè)計(jì)。要想看得見(jiàn)力的作用效果，必須把力的作用效果放大，也就是說(shuō)要放大形變，其中一個(gè)非常成功的設(shè)想就是利用海綿展示明顯的形變。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如圖4所示。當(dāng)鐵塊放到斜面上，2塊海綿都發(fā)生了嚴(yán)重形變，由此可以看出，斜面上的物體重力的兩個(gè)作用效果是沿斜面向下和垂直于斜面向下。

學(xué)生活動(dòng)4：能不能定量地測(cè)量物體對(duì)2塊海綿的壓力大?。空?qǐng)你設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究。學(xué)生想到利用彈簧秤測(cè)量，但彈簧秤只能測(cè)量拉力大小，于是設(shè)計(jì)了圖5中的探究實(shí)驗(yàn)。將斜面抬起一定角度，利用量角器測(cè)量斜面的傾角，利用2個(gè)彈簧秤將物體掛住，剛好讓物體與斜面間無(wú)壓力。讀出2個(gè)彈簧秤的示數(shù)，根據(jù)物體的重力和2個(gè)拉力的大小關(guān)系，看是否滿足平行四邊形定則。

學(xué)生活動(dòng)5：請(qǐng)同學(xué)們分析此次實(shí)驗(yàn)的誤差以及實(shí)驗(yàn)弊端。實(shí)驗(yàn)操作中不好調(diào)整2個(gè)彈簧秤的位置，使其能夠剛好保障小車與斜面無(wú)壓力，也不能完美呈現(xiàn)斜面上彈簧剛好與斜面平行，而且彈簧秤讀數(shù)也存在一定誤差。鑒于此，我們還需對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。

學(xué)生活動(dòng)6：能不能直接測(cè)量物體對(duì)斜面的壓力，對(duì)于作用力的讀數(shù)還可以進(jìn)一步精確化，為此我們引出了力傳感器——能夠直接在計(jì)算機(jī)上顯示拉力或壓力的大小。實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，將2個(gè)力傳感器分別固定在斜面上，調(diào)整好傳感器的位置使懸掛上重物后的繩子與斜面平行。選擇半個(gè)空水瓶作為裝鉤碼和砝碼的托盤(質(zhì)量相對(duì)較小，可略去不計(jì))。通過(guò)數(shù)據(jù)線將2個(gè)力傳感器連接到電腦，直接讀出力的數(shù)值。

在塑料瓶里加1個(gè)鉤碼，之后添加砝碼來(lái)增加重物的重力。實(shí)驗(yàn)中將斜面調(diào)整到與水平面成53°角,將傳感器讀出的作用力跟Gsin53°和Gcos53°對(duì)比，如果在誤差允許范圍內(nèi)相等，就可以證明斜面上物體的重力按照效果確實(shí)分成了沿斜面和垂直于斜面的兩個(gè)方向上的分力。

3 總結(jié)反思

本節(jié)課教材主要是通過(guò)理論推導(dǎo)進(jìn)行力學(xué)知識(shí)教學(xué)，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)作為鋪墊，這對(duì)于高一剛剛接觸力學(xué)知識(shí)的初學(xué)者，確實(shí)存在很大的障礙。筆者在這節(jié)課中設(shè)置了一系列的學(xué)生活動(dòng)，讓學(xué)生通過(guò)參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、感知實(shí)驗(yàn)效果，達(dá)到本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)。